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控制系统的校正

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控制系统校正 控制系统的校正
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第六章 控制系统的校正 了解系统校正的基本概念和基本方法; 掌握串联校正的伯德图设计方法; 理解反馈校正和复合校正的特点及其作用; 6.1 系统校正的基本概念 6.1.1 性能指标 6.1.2 系统带宽确定 确定系统带宽,能以所需精度跟踪输入信号,又能抑制噪声。 图6-1 系统带宽的选择 6.1.3 校正方式 按照校正装置在系统中的连接方式,可分为串联校正、反馈校 正、前馈校正和复合校正四种基本的校正方式。 6.1.4 基本校正规律 1.比例(P)控制规律 比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器,在信号变换过程中 ,比例控制器只改变信号的增益而不影响其相位。在串联校正中,加 大控制器增益,可以提高系统的开环增益,减小系统稳态误差,从而 提高系统的控制精度,而且它的强励作用可以提高系统响应的快速性 ,但会降低系统的相对稳定性,甚至可能造成闭环系统不稳定。 因此在控制系统中只采用比例控制很难满足控制系统的稳态及动态性 能,在工程中常将比例控制规律与其他控制规律组合使用。 2.比例-微分(PD)控制规律 比例-微分控制规律中的微分控制规律能反映输入信号的变化 趋势,产生有效的早期修正信号,以增加系统的阻尼程度,从 而改善系统的稳定性。在串联校正时,可使系统增加一个 的 开环零点,使系统的相角裕度提高,因此有助于系统动态性能 的改善。单独用微分也很少,对噪声敏感。 3.积分(I)控制规律 输出信号 与其输入信号的积分成比例。当消失后,输出信号 一个不为零的常量。在串联校正中,采用I控制器可以提高系统的 型级(无差度),有利提高系统稳态性能,但积分控制增加了一 个位于原点的开环极点,使信号产生 的相角滞 有可能是 后,对系统的稳定不利。不宜采用单一的 I 控制器。 4.比例-积分(PI)控制规律 比例-积分控制器是比例和积分两个控制器两者的合成,兼有 比例和积分两种控制规律的特点。在串联校正时,增加的开环 极点和开环零点提高了系统的型级,提高了系统的阻尼程度, 减小了稳态误差,缓和了PI极点对系统产生的不利影响,从而 改善了系统的稳态性能。 5.比例-积分-微分(PID)控制规律 当利用PID控制器进行串联校正时,除了可以使控制系统的型级提高一级, 从而使系统的无差度提高一级外,还可以使控制系统增加两个位于左半s平面的 开环零点。 与PI控制器相比,PID控制器除了具有改善控制系统稳态性能的优点外,还 多提供一个负实开环零点,从而在提高控制系统的动态性能方面,具有更大的 优越性。 PID控制器广泛应用于工业过程控制系统中,其参数的选择,一般在控制系 统的现场调试中最后确定。通常,参数选择应使积分部分发生在系统开环频率 特性的低频段,用以改善控制系统的稳态性能,而使微分部分发生在系统开环 频率特性的中频段,以改善控制系统的动态性能。 6.1.5 校正方法 1.频率法 利用适当校正装置的伯德图,配合开环增益的调整,来修改原 有的开环系统的伯德图,使得开环系统经校正与增益调整后的伯 德图符合性能指标的要求。工程上经常采用这种方法。 2.根轨迹法 根轨迹实在系统中加入校正装置,即加入新的开环零、极点 ,这些新的零、极点将改变原有系统的闭环根轨迹,即改变闭环 极点而改善系统的性能。 6.2 系统串联校正 6.2.1 串联超前校正 1.无源超前网络 由上述公式可看出,串入无源超前校 正装置后,系统开环增益要下降α倍。 6.2.2 串联滞后校正 1.无源滞后网络 控制系统具有满意的动态特性,但其稳 态性能不能满足要求时,可采用串联滞后 校正。 采用无源滞后网络进行串 联校正时, 主要利用其高频幅值衰减的特性,以 降低系统的开环截止频率,提高系统 的相角裕度。 6.2.3 串联滞后-超前校正 兼有滞后和超前校正的优点,当待校正系统不稳定,且要求校正后系 统的响应速度快、相角裕度和稳态精度较高时,以采用串联滞后-超前 校正为宜。串联滞后-超前校正可使用比例-积分-微分控制器实现。 1.无源滞后-超前网络 6.3 反馈校正 6.3.1 反馈校正的原理 如将校正装置与原系统某一部分构成一个局部反馈回路,如图所示 ,校正装置设置在局部反馈回路的反馈通道中,就形成了反馈校 正。 校正后系统的开环传递函数为: 用反馈校正装置包围未校正系统中队动态性能改善有重大妨碍的某些 环节,形成一个局部反馈回路,在局部反馈回路开环幅值远大于1的 条件下,局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置,而与被包围 的部分基本无关;适当选择反馈校正装置的形式与参数,可以使已校 正系统的性能满足给定指标的要求。 6.3.2 反馈校正的特点 1.减小系统的时间常数; 2. 降低系统对参数变化的敏感性; 3.抑制系统噪声 6.4 复合校正 串联校正和反馈校正能满足系统校正的一般要求,但对于稳 态精度与动态性能均要求较高或存在强烈扰动,特别是低频扰动时 ,仅靠这两种校正方式往往是不够的,在这种情况下,常常采用复 合控制。所谓复合控制,就是在反馈闭环控制的基础上,引入前馈 装置,产生与输入(给定输入或扰动输入)有关的补偿作用实行开环 控制。开环控制不影响闭环系统的稳定性,因此,复合控制同时利 用开、闭环控制方式,将提高稳态精度与改善动态性能,或者说使 系统既具有较好的跟踪能力又有较强的抗扰动能力,把这两方面的 问题分开加以解决。它在高精度控制系统中得到了广泛的应用。复 合控制系统综合的基本思路是:对这两部分分别进行综合,根据动 态性能要求综合反馈控制部分,根据稳态精度要求综合前控补偿部 分,然后进行校验和修改,直至获得满意的结果。下面介绍两种前 馈补偿装置的综合问题,即按扰动补偿的复合控制系统和按输入补 偿的复合控制系统。
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